静压导轨
对于精密圆台立式磨床来说，要保证磨削工件的大平面粗糙度低、精度高，除了要求磨头好以外，还要求工作台的工作功能要好。目前国内外生产的φ1.6米精密圆台立式磨床中，工作台导轨基本上采用转动导轨，经调查，转动体磨损后高精度易于丧失，抗振能力不强，在磨削高精度的大平面时，粗糙堵?牟不理想。而静压导轨与它比较，具有更小的摩擦阻力，使用寿命长，动态特性好，运动刚度好，有一定的吸振能力，运动精度高。转动导轨难于与静压导轨媲美，且国产静压系统与入口大型特级平面滚动轴承在价格上也相差不大。因而，我们在研制φ1.6米精密圆台立磨(该项目为原机械产业部1997年机械工业科学技术发展计划项目)中采用了静压导轨，效果好。下面对本课题中静压导轨的设计作一引见。 & V; \9 ^& O! K0 N+ J* o* r) X( C% I0 ^$ u, ?' |: Q2静压导轨供油方式的确定 * j. S8 B, i5 g! k; I
. q" E8 J* b1 c: A! \就供油方式而言，液体静压导轨目前分为恒压和恒流供油两大类。近年来德国、日本、美国等产业发达国家生产的机床，对液体静压导轨的供油方式，不是千篇一概采用某种方式，有采用恒流供油方式，也有采用恒压供油方式，这样做有可能取决于传习惯和供油系统的辅助件研制过关与否而定。 % {* q- H% i( U. G+ R, O
8 m! V& I( E2 |$ r( O图1所示为每两个油腔共用一个节流器，油泵供油压力用溢流阀调整，一直将压力控制在某个合理数值上，即所谓恒压式，图2所示为每个油腔均有一个油泵全流量供油，即所谓恒流式，两种供油方式比较如下：4 _8 l! i4 t% I; s7 O
file:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32544.png
+ s( g$ o/ r1 L; D8 j B) L0 N0 nfile:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16189.png(1)由于工作分量不均，基础件刚度无限，卡紧力惹起局部变形，以及欲想基础件加工精度、粗糙度和安装调试要求特高和稳定，均难达到。由此导轨上各个油腔压力不可能均匀，若某个油腔达到或接近一定的油泵压力时，静压就无法建立。采用恒流导轨没有溢流阀，只要有足够的流量，就能够保持导轨之间脱离接触，构成纯液体摩擦。该系统的压力储备大，过载能力强。
; l) W* {" h* \7 u0 U- h1 t6 s3 J
(2)由于外界飞扬尘埃，运转中某些剥离下金属，油中析出的杂质，以及基础件内腔中某些残存脏物会使油污染，节流器一旦被堵塞，恒压导轨的油腔失压，破坏了静压。若采用恒流静压，无节流器，即无堵塞现象发生，工作安全可靠性高，但润滑油仍需精密过滤，以防研伤导轨。 ' i* d2 Y3 F/ O
M. L" i+ s+ {) U7 b( Y
(3)恒压式油泵供油压力高于油腔压力时，即通过节流器产生压力降，有压力降就会有热量产生，要维持供油压力，溢液阀一定要溢流，该部分溢流既消耗功率，又产生热量，结果油温升高，导致机床热变形大，降低机床运动精度，甚至于还有可能使静压导轨不能正常工作。
) u) y2 A) B) T
6 |* E+ J' K' Y' \(4)就油膜刚度而言，恒流静压系统所具有的刚度，比恒静压系统中有反馈节流系统要差一些，但比有固定节流系统要好得多。 - {( N5 N1 A( p1 m U8 {4 w( Q
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根据上述二者之利弊，目前选择恒流供油方式是比较公道的。同时基于湖北某机床厂二十多年采用恒流静压导轨的机床，无一因供油方式而产生毛病。因此本磨床液体静压导轨的供油采用湖北某机床厂现行生产的1WZS04型十个头恒流量分油器，其原理图见图3。恒流量分油器的工作原理、工作功能和参数，以及工作安全性，在此不作叙说。7 j3 M1 ]- E! G4 X. D
file:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31677.png
% B# [: W; o( s2 T7 I. ^' L1—电动机 2—飞轮 3—精滤器 4—变量泵 5—精滤器 . f% D4 J0 h' D
6—溢流阀 7—恒流量分油器 8—压力继电器 $ \! {0 D! G: F! r8 h& l
9—压力表 10—底座油腔 11—工作台
0 q3 O( z# X Y2 g4 o图33 静压导轨的设计与计算 - P) x8 L7 d h* b' [
4 e1 o" |1 D4 g3 ]% T3 ^/ d. ~(1) 1.6米圆台立式磨床的工作台与底座设计次要技术参数 D/ I2 n. w1 g" m
k$ R- o3 m% m9 ?6 }. @3 W①工作台直径：?1600mm
& F- F7 `9 y+ e6 |) e9 n) @ y% D②工作台转速：0.8～32r/min
* M; x; p. L3 E% V③最大磨削直径：?1800mm
$ n% n9 @6 f6 B2 i. F' d: ^④工作台分量：W1＝18kN + C# s0 L' ]/ Q+ ?) b
⑤工作台上磁吸盘分量：W2＝12kN
/ F4 J* c' U& V8 R' O- \! I⑥工件最大分量：W3＝60kN
# a, }. m3 r# N$ X. {0 Q# f$ g3 V+ ~. |5 @3 T; S
(2)液体静压导轨的设计 " C8 W# J; a7 n. A. Z
( B2 h- E: `# A6 f; W如图4所示，导轨外径为?1200mm，内径为?1000mm，均布十个油腔，每个油腔除外周回油外，还设置径向回油槽，径向回油槽作用有二，既可作内周回油道，又可作油腔之间断压槽用，以免压力互相干扰。内外有一道高1.5mm围墙，使导轨一直泡在润滑油中工作，以免在回转时将空气带进油腔而失压，若油路系统发生毛病，忽然停车，导轨间仍保持有油润滑，不会产生干摩擦。油腔开在底座上，工作台导轨镶有锌铝铜合金导轨板，为了液体静压导轨预载，工作台至导轨处高375mm，使其承受刚度是足够的。
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0 @, L6 a! \" ]* N(3)液体静压导轨计算
5 ~4 a' P8 ]" D$ d% W& `5 a' L) v" u0 ]+ N7 l; f
①油腔压力计算
: h7 a K( q- \9 E# {4 G% R- }% Q& A1 L5 O. c1 ?3 T
油腔尺寸如图5所示，虚线表示每个油腔承受压力的无效面积Ae：* V/ _% S( x I. P9 d
file:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30947.png" H, z0 ~9 c1 E. p
file:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11760.png
& v& N X4 b7 i+ p/ v% L bfile:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31746.png空载时一个油腔压力：
! d# p- ?6 ]; L9 C/ R. ifile:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-12816.png满载时一个油腔压力：
2 k- k( t4 e W. C! d7 W9 s# |& file:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-14151.png②静压导轨机械油的选择 3 Q8 x- a0 g, Z+ L& _' U
% Y* l: {( ]) |( a
众所周知，机械润滑油的动力粘度与温度有关，假如粘度随温差变化大，则流量的变化大，这对恒流静压导轨很不利，需求经常调整变量泵。下面通过查手册取二种机械润滑油的动力粘度进行比较。 & k6 z9 a5 Y% p. w5 j' ~# v
4 @6 C6 `% w, Z" T: ~1 v; h10#机械润滑油： 0 w6 b, O' u, I. H8 m
6 L* Q+ ^% @/ d2 x
μ10℃=44.64×10-3Pa·s,μ40℃=14．29×10-3Pa·s 7 W6 l0 r& J* e% z T9 e% c
! R8 c; p' Y( V6 s
30#机械润滑油：
9 @; }4 R8 h5 s) b' G/ r: h1 w$ a/ I, U- x x/ X
μ10℃=250×10-3Pa·s,μ40℃=42×10-3Pa·s
+ H# Z7 _* w4 F, I8 X1 }: q* K& W4 P2 b4 g1 _3 Q, m
由上可知，10#机械润滑油μ10℃/μ40℃＝3.124倍，30#机械润滑油：μ10℃/μ40℃＝5.952倍，显然，10#机械润滑油的动力粘度随温差变化量小。因而，选用10#机械润滑油。 W$ o+ C0 u4 b/ `5 m6 B: U4 j
0 f4 {" }0 d3 h" C' T* e( N; n2 \$ R% I2 Q③油腔流量计算： $ c5 B+ X4 {$ r) F3 ]
! w' A% e: F# D- U3 B7 @' s
Q＝pλh3/（12μ） 2 i9 c' L+ Q7 s9 A4 I
# ?' Y/ _, B) |0 d
p——油腔压力(Pa);
/ z& q3 m a h9 @; Mh——油膜厚度(m)； * L6 c# A& V# ]# e# D
λ——节流边系数； 0 V/ B7 k' c3 C N) K' U8 ^! `
μ——润滑油动力粘度(Pa·s)。' g3 r4 Y% i* I/ g, M' }
file:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22762.png取h＝9×10-5m。 \0 S2 L/ q1 O1 [) L1 `4 v
file:///C:/Users/LUQISH~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-10716.png10℃时满载的总流量： * G* J. H+ N: d/ D8 \/ p
$ S% y* z& a3 M& q! X
Qεμ10℃＝10Qμ40℃＝6L/min 9 q' h7 v* V, Z1 y) ]
4 V" `8 P3 s; o40℃时满载的总流量：
% V* J, R' ^% v/ {0 b+ Y& K0 ^; ~
2 V$ K. z5 O% r0 X fQεμ40℃＝10Qμ40℃＝19L/min
$ W9 R" Q$ ?1 A
; C1 Z; ~, G/ u M% g& r& B- Q选用YBX型变量泵供油，额定流量为25L/min。根据油膜剪切消耗功率计算，若贮油箱容量选用大于600L，则油液温升只在≤20℃左右，足以保持安全可靠工作。
2 w0 [" j: T {* D
9 ]6 ~5 ?5 m/ s4 W④油膜的剪切功率计算：
, y9 ]0 T5 ~$ D+ R N& w1 s
" A( w5 U4 z) y当工作台旋转时，油在导轨间受剪切，必须消耗功率。由于液体静压导轨无直接金属接触，也就无摩擦损失。因而，只要工作台导轨与底座导轨的相对速度，使油受剪切，其剪切力大小与润滑油动力粘度、面积、相对速度成反比，与间隙成反比，其公式： . o/ ^3 r% S& `; A! g
: v- e% m. p3 T2 j
F'＝μAv／h
# S% N9 W" z. P% w
1 j R( j _1 o# M剪切力矩：M＝F'r 0 D9 `6 G: \' O) n8 B6 M- o, F
剪切所消耗功率：N＝1.075×10－7μΑr2n2/h 7 @& z/ O! @) \
5 a- i# m$ Q6 }% v" \2 a: N
式中：A——底座上的静压导轨与工作台导轨实际接触面积(油腔、径向回油槽不计算在内)，A＝（602－56．62＋53．42－502）π＋3．2×3．4×2×10－5×10×10＝2066．32cm2＝2.06632×10-1m2；
" I/ S; k4 C+ w2 x2 ~; u
8 D; ]: W0 n* T) Y$ Gr——导轨宽度的几何中心到导轨圆心O的半径，r=(60-50)÷2+50=55cm=0.55m；
9 H! m! G& \7 ^( w- j0 Bn——工作台最高转速(r/min)。 ( a# [" z- D* j3 t! K2 @# o( K7 W* @+ N
1 \& ] F5 W) p" p R0 o" s) o, j
⑤油膜刚度计算：
, b: I. ^% J" ^' Y: D# |" Z' Z8 ^9 x. g1 R
J＝F／e
3 e% X3 h3 |, O" `2 n9 q0 |* M6 d. g9 h1 e
式中：F——载荷
. V$ J% x1 A: u& M) a ~e——从原始载荷形态开始计算的位移量 0 x H8 J( `" b6 W) g$ z y
1 K4 o8 m; o! x$ | L
F＝W1＋W2＋W3＝90000N : t. @3 F7 C2 [* z) x
! T1 g( @+ {0 y7 L/ W6 d* ^5 ^9 ^e=0～h=0～9×10－5m=0～90μ ; O% E8 X0 f7 m s; P- o
- h# \2 b3 m. A; u∴Jmin＝90000／90＝1000N／μ
" Y7 R' d* c I1 p) d
. C. U, r3 Y+ h, H0 z4结束语
' Z1 \( z) t% m9 |, q
9 S$ H' g5 D& c+ w. N由于静压导轨具有一系列的特点，加之又采用了恒流量供油方式，所以使得磨床的摩擦阻力小，工作可靠，动态特性好，抗振性强，运动刚度好，运动精度高，从而磨削工件精度高。(end)
{:1_12:}{:1_12:}{:1_12:}{:1_12:}{:1_12:}{:1_12:}{:1_13:} 主要是现在用这床子大多是粗加工，比较精密的产品大多也不大，这块空间太少，精密要求也就不高了。特别的产品大多也就用专用机床做去了。 我想问一下，静压导轨的话在滑动中有一层油膜，小型机床大概在0.015-0.03之间。我怎么保证我安装的滚珠丝杠能克服这层油膜的变化？？？
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